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PCB设计技术_部分规则讲解1.走线2.接地3.去耦合4.开关电源的PCB设计5.开关电源电磁干扰的抑制1.1寄生天线的电磁辐射干扰产生电磁辐射的两个必要条件：天线和流过天线的电流寄生的电偶极天线：偶极天线的实质是两导体之间存在电压，而单极天线则是导体与大地之间存在电压。减小电压——减小寄生电偶极天线的辐射寄生的电流环天线：任何一个电流回路就是一个辐射天线。控制电流回路的面积——减小寄生电流环天线辐射1.2PCB上走线之间的串扰互阻抗模型：PCB上两根走线之间的互阻抗模型如下图所示。互阻抗沿着两条走线呈均匀分布。互容和互感都会向相邻的被干扰线上耦合或“干扰”一个电压串扰电压以宽度等于干扰脉冲上升时间的窄脉冲形式出现在被干扰线上串扰一分为二：沿原干扰脉冲传播方向传播的前向串扰和沿相反反响向信号源传播的反向串扰1.2PCB上走线之间的串扰减小串扰的一些措施：应使高频信号线（上升沿很短的脉冲）远离敏感信号线；尽量使用输入阻抗较低的敏感电路，必要时可以用旁路电容降低敏感电路的输入阻抗；地线对串扰具有明显的抑制作用，在施扰线与受扰线之间布一根地线，可以将串扰降低6~12dB，如图所示采用地线和接地平面减少串扰电压的影响；1.2PCB上走线之间的串扰利用防止走线之间串扰的3W规则。3W规则的含义：当有接地平面时，对于宽度是W的信号线，如果其他走线的中心与它的中心之间的距离大于3W，就能避免串扰。在多层板中，使施扰线和受扰线与接地平面相邻，分别设计在接地平面或电源平面的相对面；1.3PCB布线的一般原则控制走线的方向：呈正交结构，减少不必要的层间串扰。检查走线的开环和闭环：禁止出现一端悬空的布线形式；防止信号线在不同层之间形成自环，如图所示1.3PCB布线的一般原则控制走线的长度：数字电路系统对时序有严格的要求，需要对PCB上相应走线的长度进行调整走线长度调整的两个要求：要求走线长度保持一致，调整方法：找出昀长的线，然后将其他走线调整到等长。控制两个器件之间的走线延迟为某一个特定值。控制走线分支的长度：尽量短，另外一般要求走线延时tdelay≤trise/20，其中trise是数字信号的上升时间。1.3PCB布线的一般原则拐角设计：要求线与线的夹角应大于等于135°。在确实需要直角时可采取两种改进方法：一种是将90°拐角变成两个45°拐角；另一种是采用圆角，如下图所示，圆角方式是昀好的。控制PCB导线的阻抗：在高速数字电路和射频电路中，线宽的变化会造成线路特性阻抗的不均匀，对高速数字电路传输的信号会产生反射。1.3PCB布线的一般原则布线的一些工艺要求：布线的线宽和线距：在组装密度许可的情况下，应尽量选用较低密度的布线设计，以提高无缺陷和可靠性的制造能力。常用的布线密度设计参考下表：1.3PCB布线的一般原则导线与片式元器件焊盘的连接:“隔热路径”，否则会导致“立片”。导线与SOIC﹑PLCC﹑QFP﹑SOT等器件的焊盘连接一般建议将导线从焊盘两端引出1.3PCB布线的一般原则线宽与电流的关系当铜箔作为导线并通过较大电流时，铜箔宽度与载流量的关系因参考左表中的数据降额50%去使用一个经验值：1盎司铜厚，1mm宽走线能过1A电流2接地“接地”：通俗定义：电流返回其源的低阻抗通道。地线产生干扰的分类信号接地的分类接地的方式接地系统设计的一般原则地线PCB布局的一些技巧PCB板接地地线上的电压会产生接地干扰。2.1地线产生干扰的分类地阻抗引起的干扰：两个不同的接地点之间存在地电压，直接加到电路上，会形成共模干扰电压。一个电路的地电位会受到另一个电路工作电流的调制，这样就导致一个电路中的信号会耦合进入另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。如下是一个实例:2.1地线产生干扰的分类地环路引起的干扰：在PCB板上一定存在地环路，电流流过地环路就形成环路电流，产生地环路干扰。产生地环路电流的原因有很多总之，由于接地公共阻抗﹑传输线或者金属机壳的天线效应等原因，均会使环路中产生共模干扰电压，该共模干扰电压通过地环路作用到敏感电路的输入端，从而形成地环路干扰2.2接地的分类按电路信号特性：信号接地可以分为敏感信号和小信号电路的接地﹑非敏感信号或者大信号电路的接地﹑产生强电磁干扰的器件及设备接地和金属构件的接地。按电路性质或用途来分：也可以将工作地分为直流地﹑交流地﹑信号地﹑模拟地﹑数字地﹑电源地﹑功率低等。不同的地要分别设置，如数字地与模拟地就不能用一根地线（或地平面），否则两种电路就会产生强大的干扰。2.3接地的方式信号接地的方式可以分为单点接地﹑多点接地﹑混合接地和悬浮接地（简称浮地）。一般来说，频率在1MHz以下时可采用单点接地方式，频率高于10MHz时应采用多点接地方式，频率在1~10MHz之间可以采用混合接地方式。应用中，只将那些需要高频接地的点利用旁路电容和接地平面连接起来即可，但应尽量防止由旁路电容和引线电感产生的谐振现象。2.4接地系统设计的一般原则接地系统设计的一般规则如下：②必须限制接地系统的尺寸，以降低地电位差③系统内部的地线要分类连接，一般为电源地线、信号地线、屏蔽地线三大类③对于将出现较大电流突变的电路，要有单独的接地系统或单独的接地回路，以减少对其他电路的瞬态耦合①接地线要尽量短2.5地线PCB布局的一些技巧1.避免接地平面开槽①连接器的不正确布局引起的地槽②减少连续过孔产生的回路面积连续过孔造成回路面积增加。当PCB具有大量的贯穿孔和通孔时，要防止连续过孔产生的切缝。2.5地线PCB布局的一些技巧2.电线网路高频电路中，感抗是公共阻抗的主导因素；铺设地线网络可以降低地线电感。高速数字电路中，梳状地线是必须避免的一种地线方式。会使信号的电流回路很大，增加辐射和敏感度。2.5地线PCB布局的一些技巧3.昀小化环面积保持信号路径和它的地返回线紧靠在一起将有助于昀小化环路面积，以避免潜在天线环。改进方法：在靠近开关管和变压器的位置设置一个47uF的射频去耦电容以较小射频电流。2.5地线PCB布局的一些技巧4.局部接地面振荡器电路、时钟电路、数字电路、模拟电路等可以分别安装在一个单独的局部接地面上，在通过多个过孔与地面层连接。进入各部件的电源电压可使用铁氧体、磁珠和电容器进行滤波。3.去耦合为减少经过电源系统耦合的噪声，通常需要为每一组电路提供去耦，以有效的将电路和电源隔离开。通常需要考虑电阻上的压降影响寻在一个谐振频率，设计时需要确保LC滤波器的谐振频率在所连接电路的通频带外3.1去耦电容器的PCB布局设计①去耦电容的安装位置由于L2隔离了电容C和IC的连接，电源噪声首先作用于IC，从而降低了电容器C的去耦作用②去耦电容器与电源引脚端公用一个焊盘来自电源的电流应先流过去耦电容后在流入IC中3.1去耦电容器的PCB布局设计③采用一个小面积的电源平面来代替电源线条当去耦电容不能靠近IC的管脚安装，而无法共用同一个焊盘时，可以采用小面积电源来代替电源线④降低去耦电容的ESL相反走向安装的电容，抵消了内部电流引起的磁通3.2铁氧体磁珠的PCB布局设计在PCB上，铁氧体磁珠可以加在DC/DC模块、数据线、电源线等处。它会吸收高频干扰信号，让低频无阻碍通过，不会破坏系统的稳定。与电源滤波器配合使用，可很好的补充滤波器高频端性能的不足，改善滤波特性铁氧体磁珠的安装位置：为进一步提高去耦效果，可以在去耦电容的电源一侧安装铁氧体磁珠，需注意安装位置。铁氧体磁珠的电阻太高，对有些IC来说，会影响正常工作4.开关电源的PCB设计1.开关电源PCB布局的一般原则根据信号的流向布局，尽量使信号保持方向一致，使信号流通顺畅应尽可能将开关电源的交流部分和直流输出部分隔离；不要在离磁场干扰源比较近的地方安排开关电源的反馈部分以每个功能电路的核心元件为中心，围绕核心元件进行元件的布局4.开关电源的PCB设计抑制高频变压器和扼流圈产生的磁场干扰，除了需要采取必要的屏蔽外，还应在排版中合理安排器件位置缓冲电路在布局上应尽可能靠近开关管和输出二极管4.开关电源的PCB设计2.开关电源PCB布线的一般原则控制电路走线与功率电路走线要分开，且采用单点接地的方式将彼此间的地线回路连在一起。控制电路不宜采用大面积接地，避免产生寄生天线。尽量缩小高频大电流回路所包围的面积，使噪声源与直流输出部分分开。在PCB上，相邻印制导线之间不应过长的平行走线，要采用垂直交叉方式；线宽不要突变，也不要突然拐角和环形走线。有脉冲电流的区域要远离输出端子，使噪声与直流输出部分分离。4.开关电源的PCB设计3.TOP204YA1开关电源的PCB设计（TOP224）自动再启动/补偿电容C5必须采用单点接地方式连接到TOP204的源极输入电容C1的高压返回线必须直接接到源极的焊盘上，而不能与C5连在一起偏置/反馈电容的返回线也应该直接连接到源极的焊盘上5.开关电源电磁干扰的抑制电磁干扰的三因素：干扰源﹑干扰传播途径和敏感设备1.抑制电磁干扰源设计电源输入滤波器抑制电源线引入的电磁噪声包含了共模抑制和差模抑制的滤波器电路比较常见的两种应用形式保证滤波电路良好接地；且输入输出良好隔离5.开关电源电磁干扰的抑制在输出整流管上串联一个饱和电感来抑制输出整流二极管的反向恢复问题阻碍反向电流的大幅度变化采用软开关技术，并对器件进行合理的布局和连线，可以减小开关器件损耗和改善开关器件的电磁兼容性使用软开关技术，使开关管在零电压和零电流时进行开关管的转换，有效地抑制电磁干扰另外，使用缓冲电路吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压5.开关电源电磁干扰的抑制2.切断电磁干扰传播途径辐射EMI的抑制可以采取的一些措施：在所有整流二极管两端并联470pF电容；在开关管G极的输入端并联50pF电容，与原有的39Ω电阻形成以RC低通滤波器；在个输出滤波电容（电解电容）上并联0.01uF电容；在整流二极管管脚上套上一小磁珠；改善屏蔽体的接地。5.开关电源电磁干扰的抑制3.使用屏蔽罩降低敏感设备的敏感性抑制辐射噪声干扰的有效措施就是屏蔽为了防止变压器的磁场泄露，使变压器初次级耦合良好，可以利用闭合磁环形成磁屏蔽开关电源的屏蔽外壳功率开关管和整流二极管的屏蔽特别注意：屏蔽磁场时，外壳不需要接地；屏蔽电场时，外壳必须接地